RANCANGAN PROPELLER OPTIMUM KAPAL IKAN TRADISIONAL Ida Bagus Putu Sukadana I Wayan Suastawa Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Bali Bukit Jimbaran,Tuban Badung- BALI, Phone : +62- 361-701981, Fax: +62- 361-701128, e-mail:
[email protected]
Abstrak: Penelitian ini bertujuan untuk merancang propeller dengan parameter optimum untuk kapal ikan tradisional dalam rangka meningkatkan efisiensi propulsi. Pengambilan data dilakukan di Pengambengan, Negara. Observasi dilakukan terhadap keberadaan perahu nelayan dan sistem propulsi yang digunakan. Data utama yang digunakan sebagai dasar rancangan propeller meliputi kecepatan kapal, spesifikasi motor induk dan sistem transmisinya serta parameter utama badan kapal. Optimasi parameter propeller dilakukan dengan metode Kuiper berbasiskan torsi. Diagram open water propeller digunakan untuk analisis hidrodinamis, sedangkan prediksi kinerja propeller dilakukan dengan prosedur prognosis kecepatan (speed prognosis). Penelitian menghasilkan propeller dengan parameter utama diameter (D) = 469 mm, rasio luasan daun (BAR) = 0,394, rasio kisar (P/D) = 0,784 dan jumlah daun (Z) = 3. Analisis kinerja hidrodinamis menunjukkan efisiensi open water mencapai 0.64, yaitu 20% lebih tinggi daripada propeller terpasang di kapal. Pada putaran motor maksimum dengan rasio gear 1:3,22 propeller dapat mendorong kapal dengan kecepatan 8,5 knot. Kata kunci: propeller, sistem propulsi, kapal ikan
Design of Optimum Propeller for Traditional Fishing Boat Abstract: Purpose of the current research is to design a propeller having optimum parameters intended for traditional fishing boats in order to improve the propulsive efficiency. Data retrieval was carried out at Pengambengan, Negara, through observation of existing boat and its propulsion system being used. The main data as the basis of design process consist of boat’s speed, main engine’s specification as well as its transmission system and the principal dimension of the boat’s hull. Optimization process was conducted using Kuiper’s method on the basis of torque for optimum diameter. Open water characteristic diagram was applied for hydrodynamic analysis while propeller performance was predicted using speed prognosis procedure. The result deals with a propeller with optimum diameter (D) = 469 mm, blade area ratio (BAR) = 0.394, Pitch ratio (P/D) = 0.784 blade number (Z) = 3. Open water efficiency of this propeller is in amount of 0.64, 20% higher than those of installed in the boat. At the maximum rotation of main engine using gear ratio of 1:3.22, this propeller able to move the boat at the speed of 8.5 knots. Keywords: propeller, propulsion system, fishing boat I.
PENDAHULUAN
Kapal ikan tradisional yang ada dan telah digunakan di wilayah pesisir Nusantara hingga saat ini dibangun dengan pola yang sama, mengandalkan teknik tertentu yang merupakan keterampilan yang diwarisi secara turun-temurun. Pola pengerjaan yang lebih mengandalkan “insting” seorang tukang ini cenderung melahirkan produk yang lekat dengan ciri cultur-based daripada technology-based product. Meski merupakan warisan yang patut dilestarikan, kelemahan yang dimiliki oleh rancangan tradisional patut
mendapatkan prioritas perbaikan, tanpa meninggalkan sisi tradisi secara revolusioner. Untuk kapal jenis payang, salah satu kelemahan rancangan tradisional yang selalu ditemui di setiap bagian pesisir adalah geometri badan kapal yang masih berorientasikan pemenuhan kapasitas daripada faktor keamanan dan hidrodinamika. Perihal ini telah diteliti dalam penelitian [1] yang menghasilkan rekomendasi parameter lambung kapal yang efisien secara hidrodinamis dan memenuhi syarat keamanan. Untuk menghasilkan sebuah produk kapal yang beroperasi secara efisien, tidak cukup dengan 1
hanya optimalisasi parameter lambungnya. Sistem propulsinya juga harus disesuaikan menurut bentuk lambung dan motor induk dan sistem transmisi yang selama ini telah digunakan. Berdasarkan observasi di lapangan, semua unit kapal ikan jenis payang menggunakan sistem propulsi yang seragam, yang juga dipilih berdasarkan “kebiasaan” bertahun-tahun dan ketersediaannya di pasaran. Motor induk berkekuatan 25 hingga 30 HP dari tipe-tipe yang mudah didapatkan. Gear box dipilih dengan kisaran rasio reduksi putaran 1: 2 hingga 1:4. Propeller berdiameter hingga 600 mm dengan 3 bilah. Setiap kapal payang dengan kapasitas hingga 20 ton dilengkapi dengan 4 unit sistem propulsi yang sama (gambar 1).
Gambar 1. Tampak buritan sebuah kapal payang di Pengambengan, Negara
Pemilihan motor penggerak dan sistem transmisinya adalah satu hal yang sulit untuk diganggu gugat karena pola pemilihan didasari atas ketersediaannya di pasaran. Satu-satunya komponen propulsi yang dapat diintervensi untuk peningkatan efisiensi adalah propeller. Propeller tersedia di pasaran dengan ukuran dan geometri yang sama untuk segala jenis kapal, menyiratkan produksi massal untuk menekan biaya produksi dan akhirnya harga unit. Efek negatif yang kemungkinan timbul adalah ketidakcocokan kinerja antara propeller dengan motor penggeraknya untuk beban kapal tertentu. Bila benar demikian, maka propeller akan bekerja pada kondisi efisiensi yang tidak maksimum, sehingga menimbulkan pemborosan pengoperasian kapal, khususnya konsumsi bahan bakar motor penggerak. Dengan demikian, penelitian ini bertujuan untuk merancang propeller dengan parameter optimum. Optimum dimaksudkan untuk kinerja propeller pada titik operasi sesungguhnya yang berkorelasi dengan efisiensi maksimum. Hasil rancangan diharapkan dapat direalisasikan dalam produk prototipe yang dapat dimanfaatkan oleh komunitas nelayan, khusus yang mengoperasikan kapal jenis payang.
II.
METODE PENELITIAN
Penelitian ini berintikan dua bagian utama, yaitu (1) optimasi parameter propeller serta (2) analisis kinerja propeller. Proses optimasi menggunakan data primer yang langsung dikumpulkan dari lapangan, sedangkan analisis kinerja bersifat kajian secara teoritis dengan metode yang lazim digunakan pada sistem propulsi kapal. 2.1.
Definisi Operasional Untuk menjelaskan substansi dan arah penelitian, maka variabel dan parameter yang terlibat dalam proses penelitian perlu didefinisikan. Variabel terdiri atas parameter yang diperlukan untuk data masukan serta yang dihasilkan dalam penelitian (parameter luaran), seperti tercantum pada tabel berikut. Tabel 1. Variabel penelitian dan definisinya Data Masukan Simbol Definisi satuan Vs Kecepatan kapal maksimum knot PB Daya motor induk penggerak kW kapal n Kecepatan rotasi propeller rpm r Rasio gear box t thrust deduction fraction, fraksi penurunan gaya dorong propeller w wake fraction, fraksi aliran di buritan kapal T Sarat kapal m kN Rt Tahanan kapal, menunjukkan beban motor induk untuk menggerakkan kapal pada kecepatan Vs Data Luaran D Diameter propeller, hasil M optimum BAR Blade Area Ratio, perbandingan luas total daun propeller dengan luas cakram sesuai diameternya P/D Pitch ratio, perbandingan kisar daun propeller terhadap diameternya Z Jumlah daun propeller Efisiensi open water, yaitu ηo efisiensi saat propeller bekerja pada aliran terbuka, tanpa buritan kapal
limit 10 30 -
-
0.7T -
-
4
2.2.
Metode Pengumpulan Data Tiga data pertama pada tabel 1 didapatkan dengan pengumpulan data lapangan yang dilakukan di sentra nelayan pantai Pengambengan, Negara. Metode yang digunakan adalah observasi. Populasi data yang diambil di tempat tersebut minimal berjumlah 10 kapal berbeda dengan kapasitas yang sama. Jenis kapal ikan yang dipilih adalah kapal payang. Data input kemudian ditetapkan dengan mengambil nilai modus atau data dengan frekuensi
2
yang paling tinggi (karena data ini sangat terikat dengan spesifikasi yang beredar di lapangan). Karakteristik tahanan didekati dengan hasil uji tahanan (resistance test) yang telah dilakukan pada penelitian terdahulu [1] sedangkan karakteristik aliran buritan kapal diprediksi dengan metode Holtrop [2]. 2.3.
Metode Pengolahan Data Optimasi parameter utama propeller dilakukan dengan metode Kuiper berbasiskan torsi [3] sebab menggunakan data input daya motor. Asumsi dan batasan yang dipakai pada proses ini adalah : 1. Propeller bekerja dalam kondisi kavitasi maksimum 2,5% back cavitation 2. Diameter maksimum propeller adalah 70% sarat kapal 3. Efisiensi transmisi sistem propulsi diasumsikan 96% 4. Geometri propeller mengacu standar Wageningen B-series Untuk mempersingkat waktu, proses optimasi akan dilakukan dengan bantuan piranti lunak PROPTIMA Professional1. Parameter yang akan dihasilkan dari proses optimasi adalah diameter propeller (D), jumlah daun propeller (Z), rasio luasan daun (BAR), rasio kisar propeller(P/D) dan efisiensi open water propeller (ηo). Detil geometri daun propeller dihitung berdasarkan standar Wageningen B-series dengan input 4 data parameter utama propeller yang telah ditentukan melalui proses optimasi. 2.4. Analisis Kinerja Propeller Karena pengujian hidrodinamis model propeller tidak memungkinkan, kinerja propeller dapat diprediksi dengan formula numerik yang tersedia, dengan dukungan data kecepatan kapal, tahanan kapal, jumlah daun propeller, rasio kisar serta rasio luasan daun. Prediksi kinerja propeller dilakukan dengan menerapkan prosedur prognosis kecepatan (speed prognosis). Hasilnya akan memperlihatkan efisiensi, koefisien gaya dorong, koefisien torsi dan putaran kerja propeller pada perubahan kecepatan kapal. Analisis hasil disajikan dengan metode deskriptif. III. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Data Input Optimasi Sehubungan dengan ditemukannya variasi spesifikasi komponen sistem propulsi yang digunakan, maka diperlukan penentuan sebuah nilai untuk masing-masing parameter yang digunakan sebagai input perancangan propeller. Nilai variabel input ditentukan menurut trend data yang frekuensi 1
PROPTIMA Profesional adalah hak cipta dari KageSoft, 2005, yang merupakan kelanjutan dari Proyek Akhir mahasiswa Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, 2002.
penggunaannya pengolahannya.
paling
tinggi.
Berikut
hasil
Tabel 2 Hasil pengolahan data input No 1 2 3 4 Ket :
Data Kecepatan kapal Daya motor induk Putaran motor induk Rasio gear box
satuan
mod
mean
SD
knot HP rpm -
8 30 3600 3,22
8.50 28,12 3450 2,97
0.63 2,5 200 0,28
mod : frekuensi data yang paling sering muncul mean : rata-rata SD : simpangan baku
Data parameter propeller yang telah digunakan selama ini juga diambil sebagai bahan perbandingan hasil rancangan, dengan spesifikasi tercantum pada tabel 3. Tabel 3 Spesifikasi propeller terpasang Parameter Diameter (D) Kisar (P) Rasio kisar (P/D) Rasio luas daun (BAR)
dimensi 25 635 12 304.8 0,48 0,35
satuan inch mm inch mm -
Berhubung kapal sejenis telah diteliti pada penelitian terdahulu [1] dimana data parameter badan kapal telah didapatkan, maka penelitian ini akan memanfaatkan data tersebut. Data yang dimaksud adalah : Sarat kapal (T) = 1,8 m Panjang kapal = 10,64 m Tinggi sumbu propeller diatas garis dasar = 0,45 m Input data yang juga sangat mempengaruhi hasil adalah koefisien interaksi yang merefleksikan aliran yang memasuki daerah aliran propeller. Data ini berupa koefisien fraksi aliran (w=wake fraction) dan fraksi penurunan thrust (t=thrust deduction fraction). Nilai koefisien tersebut didapatkan dengan pendekatan formula regresi Holtrop [2]. Hasilnya adalah : w = 0,05 t = 0,0542 3.2. Optimasi Parameter Propeller Titik desain propeller ditentukan pada rating maksimum motor (20 kW pada 3600 rpm) berkorelasi dengan kecepatan kapal sebesar 10 knot. Strategi ini dipilih dengan harapan kapal dapat mencapai kecepatan 8 knot dengan motor induk bekerja di bawah rating maksimumnya, sehingga dapat memperpanjang umur pemakaian motor dan menurunkan konsumsi bahan bakar spesifik [4].
3
Tabel 4 Hasil proses optimasi parameter propeller Thrust Iterasi Z BAR P/D ηo D(m) (kN) I II
3 3
0.35 0.394
0.77 0.784
0.645 0.640
0.482 0.469
2.52 2.41
Setelah iterasi kedua, rasio luasan bilah propeller (BAR) harus ditingkatkan dari 0,35 menjadi 0,394 untuk antisipasi terhadap kavitasi. Hal ini mengakibatkan turunnya diameter optimum dan efisiensi open water. Pengecilan diameter justru menguntungkan dari segi material sedangkan penurunan efisiensi dalam hal ini tidak signifikan. Efek pengecilan diameter adalah turunnya gaya dorong (thrust) dari 2,52 kN menjadi 2,41 kN. Berdasarkan hasil penelitian [1], pada kecepatan 10 knot gaya dorong yang diperlukan adalah sebesar 4,7 kN yang harus diatasi oleh dua unit propulsi. Untuk satu propeller, beban yang harus ditanggung adalah 2,35 kN. Dengan demikian, propeller dengan parameter optimum yang dihasilkan pada iterasi kedua masih memenuhi syarat secara teknis. Dapat dirangkum bahwa hasil dari proses optimasi parameter telah menghasilkan propeller dengan spesifikasi : Z=3 D = 469 mm
BAR = 0,394 P/D = 0,784
3.3. Analisis Kinerja Hidrodinamis Propeller Propeller dirancang untuk dapat menyediakan gaya dorong yang cukup untuk mengatasi beban kapal pada kecepatan yang diinginkan. Di sisi lain, propeller juga dituntut untuk memiliki efisiensi yang cukup tinggi untuk mendapatkan sistem propulsi yang hemat. Analisis hidrodinamis dapat digunakan untuk mengungkap kemampuan ini, melalui analisis karakteristik open water propeller dan prognosis kecepatan. Semua tugas ini juga dibantu PROPTIMA Professional. Analisis dilakukan dengan menggunakan diagram open water propeller yang didapatkan dari formula polinomial propeller Wageningen B-series [5] dengan input parameter optimum yang telah didapatkan. Sesuai dengan tujuan penelitian, maka
parameter propeller yang telah digunakan selama ini juga dijadikan input sebagai bahan perbandingan. Nilai-nilai numerik yang dihasilkan PROPTIMA selanjutnya ditransfer dalam bentuk file EXCEL untuk dibuatkan diagram seperti berikut. Open water diagram
0.8 0.7
(ETA o)1 0.6
KT,10KQ,eta
Proses optimasi berbasis torsi dilakukan dengan bantuan program PROPTIMA Professional. Program mengeluarkan dua hasil dengan kondisi berbeda. Hasil yang pertama mengindikasikan efisiensi propeller tertinggi yang dapat dicapai pada tahap akhir iterasi pertama. Hasil yang kedua merupakan lanjutan iterasi pertama, dimana parameter optimum BAR (atau Ae/Ao pada program) diiterasi kembali dengan koreksi terhadap efek kavitasi. Parameter lainnya dikoreksi untuk mencapai efisiensi propeller maksimum. Berikut perbandingan keduanya disajikan dalam bentuk tabulasi.
(ETA o)2
0.5 0.4 0.3 0.2
(KT)2
0.1
(10KQ)1 (KT)1 (10KQ)2
0 0.01 0.12 ETA o : efisiensi open water KT : koefisien thrust
0.23
0.34
0.45
0.56
0.66
0.77
0.88
J
KQ : koefisien torsi
Gambar 2. Diagram karakteristik open water propeller hasil perancangan (indeks 1) dan terpasang (indeks 2)
Kurva efisiensi open water menunjukkan bahwa propeller hasil perancangan memiliki nilai maksimum lebih tinggi daripada propeller terpasang. Efisiensi open water maksimum propeller hasil perancangan adalah 0.69 yang tercapai pada titik J = 0.68, sedangkan propeller terpasang hanya mampu menghasilkan efisiensi open water maksimum sebesar 0.53 pada titik J = 0.4. Secara teoritis, propeller hasil perancangan mampu memberikan efisiensi 30% lebih tinggi daripada propeller terpasang. Pada pengoperasian sesungguhnya, yakni pada kecepatan 10 knot dengan diameter rancangan sebesar 469 mm, maka titik operasi propeller berada pada J = 0.55. Jadi, efisiensi aktual yang dihasilkan propeller rancangan berada di bawah maksimumnya, yaitu sebesar 0.64. Di sisi lain, propeller terpasang dioperasikan pada titik J = 0.42. Dengan demikian, analisis terhadap kinerja propeller pada pengoperasian sebenarnya mengindikasikan bahwa efisiensi open water propeller hasil perancangan diprediksi 20% lebih tinggi daripada propeller terpasang. Dengan diameter 35% lebih besar, dapat dipastikan propeller terpasang memiliki kemampuan gaya dorong (thrust) yang lebih tinggi daripada propeller hasil perancangan. Namun, gaya dorong yang lebih tinggi ini, terkorelasi pula dengan tenaga/torsi motor yang lebih besar. Secara teoritis, hal inilah yang menyebabkan propeller terpasang lebih boros tenaga. Faktanya, dengan diameter sebesar 635 mm mestinya dioperasikan pada putaran yang lebih rendah (dengan mengganti gear pereduksi putaran) sehingga didapatkan efisiensi propeller yang lebih tinggi. Namun,
4
menurut kajian yang telah dilakukan pada penelitian ini, dengan spesifikasi motor penggerak dan rasio gear yang digunakan, diameter 635 mm tidak optimum. Disamping tinjauan terhadap efisiensi, kinerja propeller dalam hal mengakomodasi kecepatan kapal yang diharapkan juga harus diketahui. Prognosis kecepatan dilakukan dengan teknik pencarian koefisien KT/J2 propeller yang setara dengan beban kapal, yaitu KT/J2 yang diturunkan dari tahanan kapal pada kecepatan tertentu. Koefisien KT/J2 propeller ditentukan dengan formula polinomial dengan input parameter optimum. Output dari PROPTIMA adalah berupa tabulasi. Untuk memperjelas hasil, disajikan prognosis kecepatan dalam bentuk diagram berikut (gambar 3). speed prognose 25
vs :
PB motor 15
vs :
PB (kW) 10
7.7
vs :
20
4.2
vs : 4.7
vs : vs :
6.8
vs : 8.5
9 8 7 6
6.0
5
5.3
4
PB prop
Vs(knot)
3 2
5
1 0
0
2000
2250
2500
2750
3000
3250
3500
IV. KESIMPULAN Berdasarkan proses perancangan, didapatkan rancangan prototipe propeller dengan spesifikasi sebagai berikut : 1. Diameter : 469 mm 2. Jumlah daun : 3 3. Rasio kisar : 0,784 4. Rasio luasan daun : 0,394 5. Bentuk profil : Wageningen B-series Spesifikasi propeller diatas diaplikasikan untuk kapal dengan sistem propulsi spesifik sebagai berikut : 1. Rating maksimum motor : 20 kW pada 3600 rpm 2. Rasio gear penurun putaran : 1 : 3,22 Kajian terhadap kinerja hidrodinamis propeller menunjukkan hasil : 1. Efisiensi propeller yang dirancang adalah sebesar 0,64, 20% lebih tinggi daripada efisiensi propeller yang selama ini digunakan di kapal ikan obyek penelitian. Pada putaran maksimum motor induk, propeller diprediksi dapat menggerakkan kapal dengan kecepatan 8,5 knot. 2. Hasil evaluasi sementara terhadap propeller yang digunakan di kapal selama ini adalah diameter non-optimum untuk putaran kerja 1118 rpm (rasio gear 1:3,22)
n (rpm)
V. Gambar 3. Prognosis kecepatan kapal dengan menggunakan propeller hasil perancangan
Pada diagram di atas, PBmotor menyatakan kurva rating nominal motor penggerak. PBprop merupakan kurva pembebanan propeller terhadap motor dan vs adalah kurva kecepatan kapal yang diprediksi dapat tercapai. Kurva kecepatan naik secara kontinyu dengan pertambahan putaran motor, dengan peningkatan rata-rata 0,7 knot untuk setiap kenaikan 250 rpm. Pada putaran maksimum kecepatan kapal yang tercapai diprediksi sebesar 8,5 knot, masih memenuhi kecepatan dinas yang umumnya diinginkan yaitu 8 knot. Hanya saja, sesuai rancangan awal, kecepatan ini semestinya tercapai pada saat motor dioperasikan di bawah rating maksimumnya, misalnya 85% daya maksimum. Kekurangan ini ditengarai disebabkan oleh penentuan putaran propeller yang terlalu tinggi pada titik desain awal. Di sisi lain, karakteristik pembebanan propeller terhadap motor menunjukkan performa yang baik. Pada putaran kerja terendah, propeller hanya menyerap 30% daya motor. Pada putaran maksimum dengan masuknya beban propeller ternyata daya yang tercapai hanya 85% daya maksimumnya. Hal ini mengindikasikan pemilihan kisar (pitch) propeller yang telah cukup baik.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Politeknik Negeri Bali yang telah memberikan bantuan dana penelitian dan P3M dengan saran-saran dan masukan selama proses penelitian ini, sehingga dapat diselesaikan dengan baik. DAFTAR PUSTAKA [1] Sukadana, I.B.P. 2002. “Resistance Test Model Kapal Ikan Tradisional di Brondong”. Laporan Penelitian DUE-Like. PPNS:Surabaya . [2] Holtrop, J.A.1984.“Statistical re-Analysis of Resistance and Propulsion Data”. International Shipbuilding Progress. Vol.31 [3] Kuiper, G. 1992. The Wageningen Propeller Series.Netherland : MARIN Publication. [4] Hannan, T.E.1971. Strategy of Propeller Design. London:Thomas Reed Publications Ltd. [5] Carlton,J.S. 1994. Marine Propellers and Propulsion. Oxford : Butterworth-Heinemann Ltd.
5
